劉小虎，吳峻，趙宏濤，陸珊珊
(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙410073)
摘要：根據(jù)直線無刷直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，在分析傳統(tǒng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)卜提出了一種簡(jiǎn)化的自位置傳感器控制方法，并從推力波動(dòng)和效率的角度對(duì)這種方式的可行性進(jìn)行分析：從理論上推導(dǎo)了這種簡(jiǎn)化的控制方式造成電機(jī)推力的波動(dòng)和效率下降的公式，進(jìn)行了定量分析并通過仿真進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，這種控制方式可以將其引起的電機(jī)推力波動(dòng)控制在1％的范圍內(nèi)，能大大簡(jiǎn)化電路，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。
關(guān)鍵詞：直線無刷直流電動(dòng)機(jī)；霍爾傳感器；換相；推力波動(dòng)
O引 言無刷直流電動(dòng)機(jī)具有高效率、高功率密度的優(yōu)點(diǎn)，近年來，它的應(yīng)用變得越來越廣泛，然而電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是無刷直流電動(dòng)機(jī)的致命弱點(diǎn)，因此關(guān)于無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和抑制的研究成為熱點(diǎn)【1-5】。近年來直線電動(dòng)機(jī)的發(fā)展很快，關(guān)于直線無刷直流電動(dòng)機(jī)的研究也開始出現(xiàn)，推力大、速度快是其特點(diǎn)之一，然而波動(dòng)問題卻是其無法避免并且需要進(jìn)行深入研究的。
直線無刷直流電動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)式永磁無刷電機(jī)原理相似，分為無位置傳感器控制和有位置傳感器控制，每種控制方式都有缺陷，并不能適用所有電機(jī)【6】。無位置傳感器控制的缺點(diǎn)是起動(dòng)困難、干擾多【7】。有位置傳感器控制方式的主要缺點(diǎn)是需要使用傳感器和位置檢測(cè)電路板，因此占用空間多，不利于電機(jī)的小型化…；旋轉(zhuǎn)式有位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)通常采用滯環(huán)比較的方式得到方波信號(hào)，其中每個(gè)位置傳感器都是處在不斷變化的磁場(chǎng)中，抗電樞磁場(chǎng)干擾能力較強(qiáng)，而直線無刷直流電動(dòng)機(jī)的霍爾是鋪設(shè)在定子上，理想情況下只有動(dòng)子經(jīng)過處的霍爾才感應(yīng)變化的磁場(chǎng)，實(shí)際上電樞磁場(chǎng)會(huì)對(duì)霍爾傳感器產(chǎn)生干擾，若采用滯環(huán)比較方式，當(dāng)非動(dòng)子經(jīng)過處的霍爾傳感器受到較大的電樞磁場(chǎng)干擾導(dǎo)致比較器輸出發(fā)牛變化后再自動(dòng)恢復(fù)到原狀態(tài)就比較困難，這將得不到正確的轉(zhuǎn)子位置信息，因而也就得不到正確的換相信號(hào)，導(dǎo)致電機(jī)無法正常工作。
本文提出的簡(jiǎn)化方法是對(duì)霍爾傳感器的信號(hào)采用單限比較器處理來得到方波，這種方式不存在起動(dòng)困難的問題，并且抗干擾能力極強(qiáng)，但這種方式會(huì)導(dǎo)致電流波形與反電動(dòng)勢(shì)波形的不匹配，引起電機(jī)推力的波動(dòng)。本文將從理論上分析這一波動(dòng)的大小，以評(píng)估這種簡(jiǎn)化控制方式的可行性。
l電機(jī)運(yùn)行過程分析
圖l是雙邊型直線無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，動(dòng)子是永磁體，定子繞組按A相一B相一C相的順序循環(huán)直線排列。圖中黑點(diǎn)是霍爾位置傳感器，根據(jù)動(dòng)子永磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化產(chǎn)生變化的電壓信號(hào)，其感應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)的輸出電壓為2 5 V。
根據(jù)霍爾信號(hào)可以得到轉(zhuǎn)子的位置信息，由此得到的換相信號(hào)可保證電機(jī)動(dòng)子受到同一方向的磁場(chǎng)力做直線運(yùn)動(dòng)。
理想狀態(tài)下電機(jī)運(yùn)行過程中，霍爾傳感器a、b、c的感應(yīng)信號(hào)通過單限比較器整形后得到互差120。占空比為50％的方波信號(hào)HA、HB、HC，這三個(gè)信號(hào)組合后可形成六個(gè)換相信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子電流的換相，用這種方式得到換相信號(hào)的過程可用如圖2所示的框圖表示。
圖3中的虛線分割的六個(gè)部分表示理想情況下直線無刷直流電動(dòng)機(jī)霍爾位置傳感器經(jīng)比較器后的方波位置信號(hào)與電流和反電動(dòng)勢(shì)在一個(gè)周期中的六個(gè)狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
其中：Fem為動(dòng)子受到的推力；v為動(dòng)子速度。由圖3知，當(dāng)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)e為梯形波，采用三相對(duì)稱、互差120。的方波電流供電時(shí)，穩(wěn)態(tài)下動(dòng)子受到的力將是一個(gè)和電流大小成正比的常數(shù)。
其中：E為每相反電動(dòng)勢(shì)幅值；』為相電流幅值。
實(shí)際上，霍爾元件不感應(yīng)磁場(chǎng)時(shí)的輸出電壓為2 5 V，但是由于受到電樞繞組電流磁場(chǎng)的影響存在波動(dòng)，并且比較器的參考電壓也有波動(dòng)，若參考電壓選得過低，或過于接近2 5 V，則可能導(dǎo)致非感應(yīng)動(dòng)子磁場(chǎng)的霍爾傳感器信號(hào)經(jīng)單限比較器后自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，造成位置信號(hào)出錯(cuò)而使電機(jī)無法正常運(yùn)行。因此，比較器的參考電壓應(yīng)大于2 5 V，但這會(huì)導(dǎo)致各相霍爾輸出經(jīng)單限比較器后的波形變?yōu)檎伎毡确?0％的方波。
圖4是參考電壓為2 5 V和3 v時(shí)。相霍爾傳感器輸出經(jīng)單限比較器后的波形，可看出，參考電壓變化時(shí)，方波占空比也變化。
由圖5可知，當(dāng)參考電壓比2．5 V高△u時(shí)，電流波形中正相電流右移△θ角度，反相電流左移△θ角度。由于錯(cuò)位部分電流對(duì)應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)e的幅值不再固定為E，導(dǎo)致推力發(fā)生變化，通過下文的推導(dǎo)可以從理論上計(jì)算推力的波動(dòng)和電機(jī)效率下降的大小。
2電機(jī)推力波動(dòng)及效率分析
2 1推力波動(dòng)分析
霍爾電壓變化范圍是[0.5 V，4 5 V]，實(shí)際參考電壓比2．5 V高△u，對(duì)應(yīng)的錯(cuò)位角為△θ，反電動(dòng)勢(shì)為e，血的范圍是[0，2 v]，霍爾傳感器輸出波形的線性段所占角度與霍爾傳感器所感應(yīng)的動(dòng)子N極與s極之間磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，即與圖l中兩極之間間距d有關(guān)，按****情況考慮，其角度與間隙d所占電度角一樣大，為30。，則△θ的范圍是[0，15。]。在錯(cuò)位段內(nèi)，任意時(shí)刻的各相電流仍為』，非錯(cuò)位段的反電動(dòng)勢(shì)為E，且一個(gè)周期內(nèi)A、B、c 三相均形成兩小段錯(cuò)位段，由于不存在疊加關(guān)系，且三相造成的力的波動(dòng)是一樣的，因此分析任意一相的波動(dòng)即可知電機(jī)推力的波動(dòng)范圍。
式(14)即是由于電壓抬升引起的效率下降公式，由式(14)可算出電壓抬升量為0 2 V時(shí)，效率下降約0.031 25％。
3仿真和實(shí)驗(yàn)分析
采用Simulink進(jìn)行仿真，電機(jī)參數(shù)如下：相電阻為0．5 n；反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)為2 v／(m·s-1)；母線電壓為200V；電機(jī)極距為O．276m；相電流為50 A；有效電感為0．1 mH。圖6和圖7分別為△u=1v和△u=0．2 V時(shí)的推力波動(dòng)圖，其****波動(dòng)分別為12．5％和2 5％，與公式計(jì)算基本吻合�？梢钥闯�，
在實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)霍爾元件進(jìn)行篩選，使霍爾傳感器不感應(yīng)磁場(chǎng)時(shí)的輸出盡量接近2 5 V，單限比較器的參考電壓通過穩(wěn)壓電路得到以減小波動(dòng)，采取這兩項(xiàng)措施后可使參考電壓選為2 6 V甚至更小，并且由于霍爾元件的靈敏性，其輸出特性的線性段所占的角度遠(yuǎn)小于30。，這樣推力波動(dòng)遠(yuǎn)小于1％。實(shí)際運(yùn)行過程也確實(shí)是比較平穩(wěn)的。
4結(jié)語
直線無刷直流電動(dòng)機(jī)采用霍爾位置傳感器和單限比較器的方式進(jìn)行換相，原理簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，通過定量分析可知，這種控制方式引起的波動(dòng)可以控制在很小的范圍內(nèi)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，綜合考慮各種控制方式的特點(diǎn)，在后續(xù)研究過程中，可考慮起動(dòng)段采用有位置傳感器控制，高速段采用反電動(dòng)勢(shì)法的無位置傳感器控制的方式，這樣既可以解決反電動(dòng)勢(shì)法起動(dòng)難的問題，又由于只在電機(jī)起動(dòng)段使用霍爾傳感器，需要的傳感器數(shù)量減少，位置檢測(cè)電路板得以簡(jiǎn)化，成本也大大降低。 |
